快速成型个体化导航模板辅助胸椎椎弓根螺钉置入可行性研究.docx

1、快速成型个体化导航模板辅助胸椎椎弓根螺钉置入可行性研究快速成型个体化导航模板辅助胸椎椎弓根螺钉置入可行性研究（作者:_单位: _邮编: _） 作者：陈玉兵陆声徐永清张元智师继红陈国平【摘要】 ：目的通过尸体标本实验的方法探讨个体化导航模板辅助胸椎椎弓根螺钉置入的准确性及可行性。方法对6具胸椎尸体标本进行CT扫描，根据CT扫描资料，利用逆向工程原理及快速成型技术设计制造出个体化导航模板，利用个体化导航模板在尸体标本上辅助置入胸椎椎弓根螺钉，所有螺钉的置入由同一位具有腰椎椎弓根螺钉置钉经验但无胸椎椎弓根螺钉置钉经验的骨科医师进行操作，随后采用大体解剖的方法肉眼观察置钉的准确性；并根据螺钉是否穿破椎

2、弓根、穿出距离及穿破方向进行分级。结果共设计制作了72个个体化导航模板辅助置入胸椎椎弓根螺钉144枚，132枚（91.7%）螺钉完全在椎弓根内；12(8.3%)枚螺钉穿破椎弓根，其中2枚螺钉穿破椎弓根内侧壁（穿破距离分别为0.6、0.8 mm），10枚螺钉穿破椎弓根外侧壁（9枚螺钉穿出距离2 mm，1枚螺钉穿出距离为2.5 mm）；没有椎弓根上方、下方及椎体前方穿破的螺钉。所有穿破椎弓根壁的螺钉均在安全可接受的范围内。结论快速成型个体化导航模板辅助胸椎椎弓根螺钉置入准确率高，对术者无特别的经验要求，手术操作简单、安全，可避免术中放射性损伤，为胸椎椎弓根螺钉的置入提供了一种新的可行方法，尤其适用

3、于初学者。 【关键词】 胸椎椎弓根螺钉快速成型逆向工程个体化导航模板 Abstract：ObjectiveTo validate the accuracy and feasibility of transpedicular screw placement assisted by individual navigation templates in the thoracic spines by a cadaveric study.MethodA novel individual navigation template was developed by reverse engineering an

4、d rapid prototyping according to pre operative CT data of six thoracic cadavers.The templates were used for thoracic pedicle screw placement in the cadavers.All screws were implanted by an experienced orthopaedic surgeon in the lumbar spines but not in the thoracic spines.Subsequently，an anatomic di

5、ssections were performed to evaluate the accuracy of the placed screw and orientation relative to the pedicle axis.The relative position of the screw to the pedicle was graded.ResultTotally 144 pedicle screws assisted by 72 individual navigation templates were implanted in the cadaveric thoracic spi

6、nes.Totally 132（91.7%） screws were completely inserted within the pedicle.Twelve(8.3%) screws breached the pedicle cortex，which included 2 medial and 10 lateral breaches.Two medial breaches were respectively 0.6 mm and 0.8 mm distance from pedicle cortex,and 9 lateral breaches were less than 2 mm an

7、d the other one were 2.5 mm.No screw breaches were superior or inferior to the pedicle,or anterior to the vertebral body.All misplaced screws were within an acceptable range.ConclusionTranspedicular screw placement assisted by individual navigation templates has a high accuracy and safety in the tho

8、racic spines.The operative procedure is simple，without special experience requirements for surgeons.The exposure of the surgeon to radiation can be avoided.The use of individual navigational templates to place thoracic pedicle screws is feasible and is especially suited to the beginners. Key words：t

9、horacic spine; pedicle screws; rapid prototyping; reverse engineering； individual navigation templates 和腰椎相比，胸椎椎弓根更加细小、节段性差异大，胸椎椎管内为脊髓，周围毗邻肺、食道、主动脉、下腔静脉等重要脏器和大血管，因此胸椎椎弓根螺钉置钉允许偏差范围小、风险大，如何提高胸椎椎弓根螺钉置入的准确性和安全性一直是脊柱外科十分关注的课题14。作者利用逆向工程原理及快速成型技术设计并制作了一种新型的个体化导航模板，在腰椎及颈椎椎弓根螺钉置入手术中获得了初步成功临床应用57；本研究设计制作了胸椎个

10、体化导航模板，通过尸体标本实验的方法验证其辅助胸椎椎弓根螺钉置入的准确性，旨在为胸椎椎弓根螺钉的安全置入寻找一种新的可行方法。 1 材料与方法1.1 标本制备 选取福尔马林浸泡的成年新鲜脊柱尸体标本6具，男4具，女2具；标本范围包括完整的T112、两侧的第112肋骨及侧方和后方的软组织结构。所有标本均通过拍片及CT轴位扫描检查，排除了胸椎有骨折、结核、肿瘤、严重畸形等病变及椎弓根特别细小不能进行椎弓根螺钉置钉的标本，标本中有1例具有轻度的脊柱侧凸。1.2 个体化导航模板的设计和制作 置钉前对6具尸体标本进行64排螺旋CT（GE公司）连续扫描，扫面部位从T1T12，扫描条件：电压120 KV，电

11、流150 mA，层厚0.625 mm，512512矩阵。将CT连续断层图像数据以DICOM格式保存后，导入三维重建软件MIMICS 10.01 software (Materialise company,Belgium)进行胸椎三维模型重建，以STL格式导出模型。在UG Imageware12.0 (EDS,USA）平台打开三维重建模型，定位三维参考平面，设计胸椎椎弓根的最佳进钉钉道。提取每个胸椎椎板后部及棘突根部背侧的解剖形态，在软件中建立与椎板后部及棘突根部背侧解剖形状一致的反向模板，将螺钉的最佳进钉通道和模板拟合为一体，形成带有双侧定位导向孔的单椎体个体化导航模板，在三维重建椎体模型上将

12、模板贴合于相应椎体后部并在各个方向上转动模型，观察定位导向孔与椎弓根对应的准确性（图1），通过SPS350B固体激光快速成型机（陕西恒通智能机器有限公司制造，成型精度为0.1 mm）采用光固化成型技术（Stereolithography Apparatus）将个体化实物模板制作出来，定位导向孔被制作成长2 cm、内径2 mm、外径2.5 mm的空心圆柱体（图2）。本实验共成功制作了72胸椎个体化导航模板。1.3 个体化导航模板辅助胸椎椎弓根螺钉置入方法 在置钉前根据CT测量结果确定每枚置入螺钉的直径和长度，螺钉直径一般为椎弓根横径的70%80%，螺钉长度为椎弓根螺钉通道长度的80%（图3），椎

13、弓根螺钉均为钛质螺钉（北京富乐公司提供）。所有螺钉置入由同一位具有腰椎椎弓根螺钉置钉经验但尚无胸椎椎弓根螺钉置钉经验的骨科医师进行操作，清除所要固定的胸椎椎板后方的软组织，并切除棘突上方的棘上和棘间韧带，充分暴露出椎板后部及棘突根部背侧的骨性结构，将模板贴附于相应的胸椎椎板后部及棘突上，术者左手把持模板并维持其在椎体上的稳定性，右手采用磨钻（钻头直径为2 mm）通过定位导向孔钻出进钉点和进钉通道（图5、6），进钉通道深度与所需置入的螺钉长度相同，用比所需螺钉直径小1 mm的丝锥攻丝后缓慢旋入相应长度和直径的螺钉。本实验置入的螺钉直径为3.56.0 mm，长度为2.54.0 mm。置钉时均未采用

14、透视及其它辅助设备。1.4 评价方法 术后标本大体解剖观察评价螺钉在椎弓根内的位置，记录所有椎弓根皮质穿破的螺钉数目、穿破方向，并用精确度为0.1 mm的游标卡尺测量穿出的距离。作者对Xu等的分级标准1进行了改进，用改进后的分级标准对螺钉进行分级。螺钉分级标准为，级：螺钉完全在椎弓根内；级：螺钉穿出椎弓根皮质2 mm，外侧壁穿破者为a,内侧壁穿破者为b；级：螺钉穿出椎弓根皮质2 mm且4 mm，外侧壁穿破者为a,内侧壁穿破者为b；级：螺钉穿出椎弓根皮质4 mm，外侧壁穿破者为a,内侧壁穿破者为b（图7ad）。其中a、b及a级螺钉为可接受螺钉，b、a、b级螺钉为不可接受螺钉。1.5 统计分析 使

15、用SPSS 11.5软件包，采用x2检验分别对椎弓根螺钉内侧壁和外侧壁穿破的发生率及T14、T58和T9123个胸椎节段的置钉准确性进行统计学分析(检验水准=0.05 )。 2 结 果 术中发现每个导航模板都和相应的胸椎后部骨性解剖结构十分贴合，模板在应用时具有较高的稳定性，共应用72个个体化导航模板辅助置入胸椎椎弓根螺钉144枚，其中级螺钉132枚（91.7%）；a级螺钉9枚（8.3%），b级螺钉2枚，a级螺钉1枚，没有b级螺钉及级螺钉，没有椎弓根上、下方及椎体前方穿破的螺钉（图8a8c及表1）。解剖发现9枚a级螺钉均通过胸肋关节内侧完全进入椎体，1枚a级螺钉经胸肋关节大部分进入椎体，2枚b

16、级螺钉和脊髓、神经根之间均无直接的接触，所有穿破椎弓根壁的螺钉均在安全可接受的范围内。2枚穿破椎弓根内侧壁的螺钉穿出距离分别为0.6mm及0.8mm；10枚穿破椎弓根外侧壁的螺钉平均穿破距离为1.3mm，其中唯一1枚a级螺钉位于T5左侧，穿破椎弓根壁2.5mm（图8c）。内侧壁穿破率和外侧壁穿破率分别为16.7%和83.3%，具有统计学意义（P=0.021），外侧壁穿破的发生率明显高于内侧壁（表1）。T14、T58和T9123个胸椎节段级螺钉的比率分别为91.7%、87.5%和95.8%,不具有统计学意义（P=1），3个胸椎节段的置钉准确性没有差异性（表2）。 表1 椎弓根螺钉内侧壁穿破率和外侧壁穿破率比较表螺钉分级内侧壁穿破 （略）表2 胸椎各节段置钉准确性比较表椎体节段螺钉数（略）